1、PAGE PAGE 9基于諧波檢測技技術的乙炔氣氣體濃度測量量系統(工程光學:郝郝蘊綺)王翔宇摘要：基于乙炔炔氣體近紅外外吸收的機理理，研究了一一種以DFBB LD為光光源的高靈敏敏度光譜吸收收型乙炔氣體體多點檢測系系統。采用光光源調制實現現氣體濃度的的諧波檢測，利利用二次諧波波與一次諧波波的比值來消消除光路干擾擾。采用空分分復用技術實實現多點氣體體濃度的檢測測，使多個傳傳感器共用一一個光源，降降低了成本。建建立了諧波檢檢測的數學模模型，給出了了乙炔氣體的的測量結果。測測試結果表明明：系統靈敏敏度和穩定性性高，重復性性好，適應性性強。關鍵詞：氣體傳傳感器；乙炔炔；多點檢測測；諧波檢測測引言光纖

2、氣體傳感器器靈敏度高，動動態范圍大，防防電磁干擾，防防燃防爆，不不易中毒，適適合于長距離離在線測量。但但由于光源造造價一般很高高，限制了它它的大規模使使用。乙炔()是變壓器器油中的故障障特征氣體，實實時、準確地地監測氣體濃濃度對保障生生產、生活的的安全十分重重要。基于空空分復用技術術，將氣體傳傳感器組成網網絡，實現對對氣體濃度的的多點測量，使使多個傳感器器共用一個光光源，降低了了成本。采用用分布反饋式式半導體激光光器(DFBBLD)作為為光源，通過過對光源的調調制實現對氣氣體的二次諧諧波檢測，通通過二次諧波波與一次諧波波的比值作為為系統的輸出出，克服了現現有儀器受光光路干擾較大大的缺點，并并且

3、比以往采采用LED作作為光源的差差分檢測方式式具有更高的的靈敏度。l基本原理當一束光強為的的輸入平行光光通過圖1所所示的氣室時時，如果光源源光譜覆蓋11個或多個氣氣體吸收線，光光通過氣體時時發生衰減，根根據BeerrLambeert定律，輸輸出光強與輸輸入光強和氣氣體濃度之間間的關系為 （11）式中為氣體吸收收系數，即氣氣體在一定頻頻率處的吸收收線型；L為為吸收路徑的的長度；c為為氣體濃度。為了產生諧波信信號，在激光光器的直流工工作電流上疊疊加1個角頻頻率為的正弦弦信號。由于于可調諧激光光器的輸出頻頻率是注入電電流的函數，所所以注入電流流經正弦調制制之后，激光光器的輸出頻頻率和輸出光光強也將受

4、到到相應的調制制變成了隨頻頻率礦而變化化的時變參數數 （22） （33）式中：為光源未未經調制時的的中心頻率；為頻率調制制幅度；為光光強調制系數數，,為電流調制制頻率。將式(2)、式式(3)代入入式(1)，在在近紅外波段段，氣體的吸吸收數很小，滿滿足，光強的的調制幅度也也很小，即，1;這樣就可以運用近似公式，并且可以忽略高階小項，則可為 （44）氣體壓力接近11013225kPa時時，可以用LLorenzz曲線描分子子的吸收譜線線型 （5）式中：為純氣體體在吸收線中中心的吸收系系數；和分別為對應應吸收峰的中中心頻率和吸吸收線半寬。當光源輸出中心心波長被精確確地鎖定在氣氣體吸收峰上上時，=，式(

5、4)變為 （6）定義，將式(66)展開為傅傅里葉級數序序列，它的一一次諧波（ff）和二次諧諧波(2f)的系數分別別為 （7） （8）式中： （99）可知，二次諧波波和一次諧波波的比值不含含有項，這樣樣用其作為系系統的輸出可可以消除光強強波動等因素素帶來的干擾擾 （110）可見，檢測二次次諧波可以獲獲得氣體濃度度信息，一次次諧波分量主主要由強度調調制引起，幅幅度正比于光光源的平均功功率，和氣體體濃度沒有關關系。用二次次諧波和一次次諧波的比值值作為系統的的輸出，可以以消除光源波波動等共模噪噪聲。2系統的設計為線性對稱分子子，在紅外光光譜中共表現現出5種基本本簡正振動，吸吸收基頻為礦礦。一蠔，都都不

6、在光纖低低損耗范圍之之內，并受到到其他因素如如光源和探測測器等條件的的限制，所以以選擇吸收強度不如基頻吸吸收強烈的振振動泛頻吸收收峰進行檢測測。石英光纖纖在1555xnm內為為低損耗窗口口，在15525xnmm處由簡正振振動和形成的振動動泛頻吸收(+)，在1525x附近的能能級躍遷主要要是CH鍵對稱伸伸縮振動模式式，和CH鍵彎曲振振動模式組合合頻帶的躍遷遷，轉動躍遷遷對吸收譜線線的作用是次次要的。由于于分子中偶極極矩的轉動而而使吸收譜具具有精細結構構，根據轉動動量子數的正正負可以將吸吸收峰分為PP支R支，并并用轉動量子子數編號，因因此P支和RR支的吸收峰峰的個數相同同，相對變化化的規律也相相同

7、，但是由由于分子的非非簡諧振動而而使它們不對對稱，所以在在短波長的PP支和R支的的稠密度不同同。圖2是的的近紅外光譜譜。光源選擇分布反反饋式半導體體激光器，中中心波長為1152xnnm分布反反饋式半導體體激光器(DDFBLD)是一種內含含介質光柵結結構，具有優優良選頻特性性的單縱模激激光器，所用用光源采用高高精度的自動動功率控制(APC)和和自動溫度控控制(ATCC)技術，有有很高的短期期穩定度和長長期穩定度并并具有連續光光、內調制和和外凋制3種種工作方式。輸輸出光功率1 mW，短短期穩定度(15dB.min)和和長期穩定度度(8dBBh。)分別別為00055和0.03. 系統中，氣室是是敏感

8、元件，由由輸入輸出出透鏡組成。光光纖中出射的的光，經輸入入透鏡準直變變為平行光，穿穿過氣室，由由另一透鏡耦耦合到輸出光光纖中。氣室室設計的主要要原則是吸收收光程盡可能能大，氣室中中光路的耦合合損耗小，耦耦合狀態穩定定。如圖1(a)所示波波氣室結構，入入射光先要經經過透鏡準直直，然后通過過氣體路徑，經經過聚焦透鏡鏡，再回到光光纖，因為光光路不可能絕絕對準直，光光纖的數值孔孔徑有一定的的范圍，光信信號在這里要要損失一部分分，并且給系系統帶來干擾擾。由于涉到到光纖和分立立光學元件的的耦合問題，準準直復雜，溫溫度穩定性、抗抗震性能也不不是最佳。所所以選擇小型型漸變爐折射射率透鏡如圖圖1(b)所所示，這

9、種透透鏡器件和光光纖匹配性好好，可選擇帶帶尾纖的變折折射率透鏡，將將傳輸光纖和和透鏡尾纖直直接熔接在一一起，改善了了耦合的穩定定性。用于多點氣體檢檢測的傳感器器網絡系統如如圖3所示。一一定數量的光纖氣體傳傳感器，其中中每個均和各各自的輸入和和返回光纖連連線構成1個個傳感通道。可可以通過使它它們共用1個個光源和1個個多路探測器器陣列或使之之共用1個公公共探測器和和1個多路光光源來復用，組組成1個結構構簡單的網絡絡，或者不使使用多路探測測器陣列或多多路光源，而而使用單探測測器或單光源源與光纖開關關或光纖多路路耦合器(11 xN路耦耦合器)。系統中采用的DDFB LDD前后兩面均均發射激光，利利用后

10、向激光光穿過參考氣氣室，參考氣氣室內裝有已已知濃度的氣氣體，檢測一一次諧波作為為反饋信號對對激光器進行行溫度控制精精確鎖定其波波長于氣體吸吸收峰上。DDFB LDD前向發出經經過調制的光光經光纖傳輸輸到測量氣室室，單路測量量的原理框圖圖如圖4所示示，光能與氣氣體發生相互互作用，然后后將攜帶有用用信息的光信信號傳輸到PPIN光探測測器轉換成電電信號，送入入鎖相放大器器。檢出2個個調制頻率的的一次和二次次諧波分量。二二次諧波分量量含有濃度信信息，一次諧諧波分量主要要由強度調制制引起，幅度度大小正比于于光源的平均均功率。用二二次諧波和一一次諧波的比比值作為系統統的輸出，消消除了激光器器光強波動等等共

11、模噪聲和和其它同性干干擾的影響，單單值的表征被被測氣體濃度度。再經過低低噪聲、高靈靈敏度的低通通濾波電路，消消除背景光的的交流漂移和和PIN的暗暗電流，并濾濾除信號中的的高頻噪聲。經經過上述處理理的反映氣體體濃度的信號號被送入AD轉換器，轉轉換成數字量量后，送入計計算機進行處處理、顯示及及打印。3實驗及結果采用圖3所示的的系統進行實實驗，采用22路傳感器，氣氣室長度為550cm，選選擇低噪聲、高高靈敏度的PPIN光電二二極管作為光光電探測器，其其波長響應范范圍為17nm.當氣氣室中沒有待待測氣體時，二二次頻輸出信信號為零，基基頻輸出1個個固定不變的的電雎值，此此時二次諧波波與一次諧波波的比值為

12、零零。采用和的混合氣體體進行實驗，實實驗結果如下下表l所示。經多次測試，其其重復性、穩穩定性良好。理理論與實驗表表明，采用DDFBLD調調制技術實現現氣體濃度的的諧波檢測，靈靈敏度和穩定定性明顯提高高，只要更換換光源或相應應的探測器，此此系統即可應應用于其他氣氣體的檢測，具具有較強的適適應性。參考文獻： 1JINNWInvvestiggationn braggggrattniberroptiicofseensorss tunaablelaaserinng byuusing sourccesAppplOptt，19988(37)：25172525W GPPerforrmanceelimittoffibber-2JINMM，DEMOOKANS，SSTEWARRTsenssorsfrromcohherenttbaeksseatteerIEEEopticcgas PProcOOptoellectr卜卜1998，1145(3)：1861893葉險峰，湯湯偉中CHH。氣體光纖纖傳感器的研研究半導體體光電，20000，211(6)：2218220distanccesimuultaneeousdeetec4YAMAAMOTOKKTAIHH，UCHIIDAMLLongtiionofmmethann